簡介
金星快車是歐洲航天局探測太陽系的主要項目,由英、德、法、西、美等14個國家合作支持,是至2011年為止歐航局所執行的科研項目中進度最快的一個。
任務得名“金星快車”的原因是:該任務從申請到設計、準備,直至最後發射的過程只經過了不到3年的時間;源自歐洲太空總署上次執行的探測火星的“火星快車”任務。
該方案能用上歐洲航天局為“火星快車”和“羅塞塔”探測任務研製的多種備份儀器來實現其科學目標,對金星大氣進行詳細研究。該項目耗資達1.4億英鎊(2億歐元),探測器設計壽命至少達4年。
探測任務
金星快車將對這一大氣進行有特色的研究。雖然軌道因素也不容忽視,但是其自身的內因正是科學家要弄清楚的,模擬金星的氣候變化,就是要避免地球重蹈覆。具體任務包括:
1、解開金星大氣上層圍繞金星快速旋轉之謎;
2、解開金星兩極地區強旋渦形成之謎;
3、金星全球氣溫平衡狀況;
4、金星上溫室效應的作用和形成機制;
5、金星雲層的結構及動態發展;
6、研究在其雲層上部發現的神秘紫外線斑;
7、研究金星大氣隨高度增加發生的成分變化;
8、金星大氣如何與金星表面相互影響;
9、太陽風是如何影響金星大氣;
10、在不同的高度上雲和霧是怎樣形成和變化;
11、大氣層的化學狀態等。
項目組成
發射器
是歐洲/俄羅斯聯合公司斯塔瑞森(Starsem)製造的聯盟號飛船。發射質量1270千克,包括93千克軌道器有效載荷和570千克燃料。
軌道器
軌道器設備包括:金星監視照相機、空間電漿和活性原子分析器等。
控制中心
宇宙飛船由位於德國達姆施塔特市的歐洲太空控制中心操縱。
星體構造
“金星快車”星體有7個分系統,即結構、溫控、電源、推進、姿態與軌道控制、通信和數據管理分系統。
結構系統
“金星快車”的星體大致呈方形,尺寸為1.65米×1.7米×1.4米,總體構型為核心結構加外圍結構。
1、星體被核心結構的隔板分割成6個隔艙。主要搭載的儀器包括:
對溫控和/或指向性能有苛刻要求的:行星傅立葉光譜儀(PFS)、金星大氣特徵研究分光計(SPICAV)和可見光與紅外熱成像光譜儀(VIRTIS))集中放置於-X軸向隔艙內,靠近探測器-X軸冷麵和姿態與軌道控制系統基準單元(慣性測量裝置和星跟蹤器)。
MAG磁強計的感測器和可伸縮支桿裝在星體外部頂板上。空間電漿與高能原子分析儀(ASPERA)4的感測器裝在底板和-Y軸側壁上。
推進系統的安裝與火星快車相同。兩個推進劑貯箱安裝在核心結構的中心部位,主發動機位於底板之下並指向-Z軸方向,而8台推力器則設在星體的4個底角處。
2、外圍結構
兩個太陽翼安裝在±Y軸的側壁上,可繞Y軸旋轉(接口同火星快車)。
溫控系統
在任務的各個階段,探測器的溫控系統用於使所有設備都處在容許的溫度範圍內。這些設備分為兩類,即集中控制裝置(由溫控系統統一進行隔熱和加熱)和單獨控制裝置(自備溫控措施(如塗層、加熱器和隔熱件))。
電源系統
金星快車的電源系統高度自主。探測器上對稱安裝有兩個太陽能電池陣,每個由兩塊帆板組成,總面積5.7平方米,採用三結砷化鎵電池。
太陽陣在地球附近可產生至少800瓦的功率,在金星軌道上的發電功率為1100瓦。在日蝕期或當探測器用電需求超出太陽陣供電能力時,可由3組24安時的鋰離子電池供電。
推進系統
金星快車的推進系統與“火星快車”所用的雙元推進劑系統相同,但加注了更多的推進劑(約530公斤,而“火星快車”約為430公斤)。推進劑為四氧化二氮和單甲基肼,供分四組安裝的8台推力器和主發動機使用。主發動機推力為415牛,推力器單台推力為10牛。
姿態與軌道控制系統
金星快車採用了固定安裝的高增益通信天線和只有一台主發動機的推進系統配置,從而要求它有高度的姿態機動能力。
探測器的姿態測量採用星跟蹤器和陀螺儀來進行。
姿態與軌道控制系統的感測器包括兩台星跟蹤器、兩台慣性測量裝置和兩台太陽捕獲敏感器。每台星跟蹤器都有一個16.4度的圓視場,能利用星等為5.5或更高的恆星進行測量。每台慣性測量裝置使用3個環形雷射陀螺和3台加速度計。太陽捕獲敏感器用於在太陽捕獲模式下或在姿態捕獲或重新捕獲過程中為探測器定向。
姿軌控系統採用由4個斜置反作用輪組成的反作用輪組合,能利用其中任意三個輪來完成大部分基本飛行動作。
通信系統
“金星快車”的通信系統由一台雙波段轉發器(DBT)、一台射頻分配單元(RFDU)、兩台行波管放大器(TWTA)、一台波導接口單元(WIU)和4部天線組成。雙波段轉發器含兩個雙重收發鏈路,每路均設有X波段發射機、帶5瓦末級放大器的S波段發射機、X波段接收機和S波段接收機。
數據管理系統
數據管理系統有4個相同的處理器模組,分置於兩個控制與數據管理單元內。兩個處理器模組專供數據管理系統使用,另兩個供姿軌控系統使用。
固態大容量存儲器用於數據存儲,最大容量為12GB。它與兩台數據管理系統處理器、傳輸幀發生器(TFG)以及VIRTIS和VMC儀器相連。
控制與數據管理單元控制地面指令的接收和執行、星務管理及科學和遙測數據的存儲以及存儲數據傳送前的格式編排。它還用於進行星上數據管理、控制律處理和星上控制程式的執行。
姿軌控系統接口單元負責姿軌控系統感測器、反作用輪、太陽陣驅動裝置及推進感測器和作動器。遠程終端單元與探測器其它系統和儀器連線。
探測歷程
2005年11月9日,金星快車自哈薩克斯坦境內的拜科努爾發射場搭乘“聯盟”運載火箭升空。這是歐洲首次向金星發射探測器,也是十多年來首次有人類探測器再次探訪金星。
2006年4月11日,歐洲空間局宣布,格林尼治時間8時07分,金星快車完成減速過程,順利首次進入環金星橢圓形軌道。
2006年4月14日,歐洲空間局公布了金星快車傳回的首批金星圖像。這些金星南極地區的圖片是探測器4月12日在距離金星20萬公里的環金星橢圓形軌道上由“紫外線、可見光和近紅外線成像分光計”和“金星監測照相機”拍攝的。
2006年6月27日,歐洲空間局宣布,科學家對金星快車發回的數據進行分析後確認,金星南極上空大氣中存在著奇怪的雙漩渦。
2011年11月的《伊卡爾斯》雜誌報導了最近“金星快車號”的測量結果,也證實金星陰面有一層薄薄的臭氧層。
2012年4月,金星快車觀測到了金星上的“磁重聯”現象,通過分析從“金星快車”獲得的數據揭示出許多磁場和磁尾中的電漿有交換能量的現象。在許多方面金星的磁層是地球磁層的縮小版,新發現表明,“磁重聯”致使大量電漿從磁尾中逃逸,這為我們提供了一種用來解釋為什麼氣體會從金星的上層大氣中丟失的新機理。這對於理解金星在經歷了“失控的溫室效應”之後又丟失掉了大量的水有幫助。
2012年10月,金星快車在金星的大氣里發現一個的寒冷區域,這裡的大氣溫度低至零下175攝氏度,低溫環境或許能令二氧化碳凍結成冰或者雪。
在2014年年底之前,“金星快車號”將繼續收集數據,為這些問題提供答案。在2015年中期的某個時段,它將墜入金星毒雲。
探測紀錄
歐航局的“金星快車”創下了多項探測紀錄:
1、第一次運用全球監測系統探測金星低空的近紅外線;
2、第一次對金星表面不同高度的大氣溫度和氣流運動情況做系統研究;
3、第一次測量金星軌道表面氣溫變化區域的分布;
4、第一次對金星表面中、高層大氣的不同氣體如氧氣、氮氣等的釋放進行研究;